CN107036543A - 一种光纤光栅应变传感器标定与疲劳检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种进行光纤光栅应变传感器标定与疲劳寿命检测的方法，包括步骤：a)搭建所述测试系统，依次连接宽带光源，光环形器，光纤光栅解调仪，单模光纤，布拉格光纤光栅传感器，光纤，电阻应变片，夹具，等强度悬臂梁和应变采集设备，b)通过直线促动器向所述等强度悬臂梁上施加负载以造成等强度悬臂梁产生应变；c)通过所述电阻应变片采集测得所述应变片电阻变化大小；d)通过光纤光栅解调仪计算读取所述等强度悬臂梁产生的应变造成的所述布拉格光纤光栅传感器的反射光发生的峰值平移；e)计算出悬臂梁应变与布拉格光纤光栅传感器的反射光发生峰值平移之间的关系，实现所述布拉格光纤光栅传感器的标定与疲劳检测。
Description
技术领域
本发明涉及一种光纤光栅应变传感器标定与疲劳检测系统。
背景技术
光纤光栅是具有里程碑意义的一种光纤无源器件，因其抗电磁干扰、耐腐蚀、高绝缘性、测量参量广、便于复用组网、可微型化等独特的优点，发展非常迅速，已在电子信息、航空航天、材料与化工、建筑与环境、地下管网、能源以及军事国防等领域获得了重要应用。
在结构健康监测领域，光纤光栅传感器大量用于应变参数的监测。目前，通常采用金属封装后的光纤光栅传感器粘贴或焊接在结构的表面，或直接采用光纤光栅埋植于复合材料对结构的应变状态进行监测。但目前此两种方式的应变测量灵敏度只能按供货商提供的系数或理论值，属通用系数，精确度低。
到目前为止，对于光线光栅应变传感器灵敏度的标定还没有一种即可靠又比较精确的标定方法，而精确的灵敏度是保证测量结果的精确性和可重复性的重要参数。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种利用等强度悬臂梁进行光纤光栅应变传感器标定与疲劳寿命检测的方法，所述方法包括如下步骤：
a)搭建所述测试系统，依次连接宽带光源，光环形器，光纤光栅解调仪，单模光纤，布拉格光纤光栅传感器，光纤，电阻应变片，夹具，等强度悬臂梁和应变采集设备，其中，
所述宽带光源发出的光经过所述单模光纤与所述光环行器的第一端口相连，所述宽带光源发出的光通过所述单模光纤跳线传输至所述光环行器的第二端口，经过与之相连的布拉格光纤光栅传感器的反射后，具有特定中心波长的反射光再次进入所述光环形器的第二端口，该反射光从所述光环行器的第三端口出射，进入所述光纤光栅解调仪；
b)通过直线促动器向所述等强度悬臂梁上施加负载以造成等强度悬臂梁产生应变；
c)通过所述电阻应变片采集测得所述应变片电阻变化大小，输出到应变采集设备，并转换为测点的应变值；
d)通过光纤光栅解调仪计算读取所述等强度悬臂梁产生的应变造成的所述布拉格光纤光栅传感器的反射光发生的峰值平移；
e)计算出悬臂梁应变与布拉格光纤光栅传感器的反射光发生峰值平移之间的关系，从而计算出布拉格光纤光栅传感器的应变程度，实现所述布拉格光纤光栅传感器的标定与疲劳检测。
优选地，所述布拉格光纤光栅传感器其波长范围为1525-1565nm。
优选地，所述布拉格光纤光栅传感器的波长解调分辨率为1pm。
优选地，所述宽带光源的波长处于C波段或者C+L波段。
优选地，所述应变片是由敏感栅构成。
优选地，所述应变采集测得所述应变片电阻变化大小，并转换为测点的应变值。
优选地，所述关系曲线通过线性拟合或最小二乘拟合得到。
优选地，当进行疲劳寿命检测时，通过直线促动器对所述等强度悬臂梁实施循环加载，观察光纤光栅解调仪中反射光谱中心波长的偏移情况，判断其疲劳极限。
根据本发明的利用等强度悬臂梁进行光纤光栅应变传感器标定与疲劳寿命检测的方法，对于光线光栅应变传感器灵敏度的标定可以实现可靠又比较精确的标定方法，其精确的灵敏度保证了测量结果的精确性和可重复性。
应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。
附图说明
参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：
图1示出了本发明的光纤光栅应变传感器标定与疲劳寿命检测系统的系统结构图；
图2示出了本发明的光纤光栅应变传感器标定与疲劳寿命检测系统的具体结构放大图。
图3示出了激光输出纵模漂移的变化随挠度Y的变化的波形图。
具体实施方式
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。
通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。
针对本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
本发明提供了一种利用等强度悬臂梁进行光纤光栅应变传感器标定与疲劳寿命检测系统，采用等强度悬臂梁对光纤光栅施加载荷或者是循环载荷，可同时完成光纤光栅应变传感器的标定和疲劳寿命检测两大功能。对光纤光栅传感器的封装工艺、测量精度、使用寿命寿命等方面具有重要意义。
图1示出了本发明的光纤光栅应变传感器标定与疲劳寿命检测系统的系统结构主视图。根据本发明的一种光纤光栅应变传感器标定与疲劳寿命检测系统，所述系统100包括：宽带光源101，光环形器102，光纤光栅解调仪103，单模光纤104，布拉格光纤光栅(FBG)传感器105，光纤106，电阻应变片107，夹具108，等强度悬臂梁109和应变采集设备110。
具体地，宽带光源101发出的光经过单模光纤104与光环行器102的1端口相连，所述宽带光源101发出的光通过单模光纤跳线传输至光环行器2的输入端口，经过与之相连的FBG传感器105的反射后，具有特定中心波长的反射光再次进入环形器的2端口，该反射光只能从光环行器102的3端口出射，随后光进入光纤光栅解调仪103中。光纤光栅解调仪103将光信号转换成电信号进行寻峰处理，由光强信号与光电探测器的像素对应关系，由计算机处理后获得发射光谱的中心波长，最终在工控计算机中完成解调并显示。
通过直线促动器向在等强度悬臂梁109上施加负载以造成等强度悬臂梁109产生应变，通过电阻应变片107采集测得所述应变片电阻变化大小，输出到应变采集设备110，并转换为测点的应变值。同时，等强度悬臂梁109产生应变造成了FBG传感器105的反射光发生峰值平移，即产生了中心波长漂移量ΔλB，因此可以计算出悬臂梁应变与FBG传感器105的反射光发生峰值平移之间的关系，从而计算出FBG传感器105的应变程度，进而实现FBG传感器的标定与疲劳检测。
所述光环行器102用于保证光纤中的信号光沿单一方向传输，FBG传感器105反射回特定波长的光并沿原路返回，经FBG传感器105反射后的光信号进入光纤光栅解调装置103中。
所述光纤光栅解调仪103用于将其输入的反射光信号，由其内部的光电探测器接收并将其转化成电信号，该电信号经由以太网或者USB传输线传送至下位机，完成信号解调。
图2示出了本发明的光纤光栅应变传感器标定与疲劳寿命检测系统的具体结构放大图。
如图2所示，通过直线促动器201向等强度悬臂梁109的一段施加振动，使得等强度悬臂梁109产生应变。将电阻应变片107贴附在等强度悬臂梁109上，电阻应变片107是用于测量应变的元件，其粘贴在构件的测点上，构件受力后由于测点发生应变，应变片也随之变形而使其电阻发生变化，再由所述应变采集设备进行采集。应变采集设备110测得其电阻变化大小，并转换为测点的应变值。
优选地，所述光纤光栅解调仪其波长范围为1525-1565nm，波长解调分辨率为1pm。
优选地，所述宽带光源的波长处于C波段或者C+L波段。
优选地，所述应变片是由敏感栅构成。
设L、b、h分别为等强度悬臂梁109的梁长、梁固定端宽度和厚度。悬臂梁受荷载P的作用而弯曲，当挠度Y不大时，等强度悬臂梁109的曲率半径r可为一常量。根据材料力学知识，由荷载P、梁的性质(杨氏模量E)及几何尺寸，可求得等强度悬臂梁上各点的应变ε为：
ε＝6LP/Ebh2＝hY/l2 (1)
布拉格中心波长漂移量ΔλB与挠度Y存在线性关系，该线性关系如图3所示。图3示出了激光输出纵模漂移的变化随挠度Y的变化的波形图。由若干组实测实验数据，即可采用最小二乘法拟合出布拉格中心波长与挠度间的线性关系，进而确定出FBG传感器的应变灵敏度系数Kε。
记录数据并拟合曲线进行标定，标定结构示意图如图5所示。曲线拟合可采用线性拟合，如公式2所示。
ΔλB＝KεY+b (2)
电阻应变片测量应变主要是借助梁的形变引起粘贴在试件表面上应变片电阻值的相对变化，通过应变采集模块直接读出应变值。FBG传感器的应变值可根据上述标定实验后求得的应变灵敏度系数和光纤光栅解调仪显示的布拉格中心波长间接计算而得。在等强度悬臂梁不同挠度条件下，比较两者得到的一系列应变值和理论值，分别求得两种传感器测量时的线性度，应变灵敏度、测量精度、重复性和滞后性等参数。
根据本发明的另一方面，当利用图1所示的系统进行光纤光栅应变传感器标定与疲劳寿命检测时，检测方法包括如下步骤：
a)搭建所述测试系统，依次连接宽带光源，光环形器，光纤光栅解调仪，单模光纤，布拉格光纤光栅传感器，光纤，电阻应变片，夹具，等强度悬臂梁和应变采集设备，其中，所述宽带光源发出的光经过所述单模光纤与所述光环行器的第一端口相连，所述宽带光源发出的光通过所述单模光纤跳线传输至所述光环行器的第二端口，经过与之相连的布拉格光纤光栅传感器的反射后，具有特定中心波长的反射光再次进入所述光环形器的第二端口，该反射光从所述光环行器的第三端口出射，进入所述光纤光栅解调仪；
b)通过直线促动器向所述等强度悬臂梁上施加负载以造成等强度悬臂梁产生应变；
c)通过所述电阻应变片采集测得所述应变片电阻变化大小，输出到应变采集设备，并转换为测点的应变值；
d)通过光纤光栅解调仪计算读取所述等强度悬臂梁产生的应变造成的所述布拉格光纤光栅传感器的反射光发生的峰值平移；
e)计算出悬臂梁应变与布拉格光纤光栅传感器的反射光发生峰值平移之间的关系，从而计算出布拉格光纤光栅传感器的应变程度，实现所述布拉格光纤光栅传感器的标定与疲劳检测。
当进行疲劳寿命检测时，通过工控电脑控制直线促动器对等强度悬臂梁实施循环加载，观察光纤光栅解调仪中反射光谱中心波长的偏移情况，判断其疲劳极限。应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。
根据本发明的利用等强度悬臂梁进行光纤光栅应变传感器标定与疲劳寿命检测的方法，对于光线光栅应变传感器灵敏度的标定可以实现可靠又比较精确的标定方法，其精确的灵敏度保证了测量结果的精确性和可重复性。
结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。
Claims (8)
1.一种利用利用等强度悬臂梁进行光纤光栅应变传感器标定与疲劳寿命检测的方法，所述方法包括如下步骤：
a)搭建所述测试系统，依次连接宽带光源，光环形器，光纤光栅解调仪，单模光纤，布拉格光纤光栅传感器，光纤，电阻应变片，夹具，等强度悬臂梁和应变采集设备，其中，
所述宽带光源发出的光经过所述单模光纤与所述光环行器的第一端口相连，所述宽带光源发出的光通过所述单模光纤跳线传输至所述光环行器的第二端口，经过与之相连的布拉格光纤光栅传感器的反射后，具有特定中心波长的反射光再次进入所述光环形器的第二端口，该反射光从所述光环行器的第三端口出射，进入所述光纤光栅解调仪；
b)通过直线促动器向所述等强度悬臂梁上施加负载以造成等强度悬臂梁产生应变；
c)通过所述电阻应变片采集测得所述应变片电阻变化大小，输出到应变采集设备，并转换为测点的应变值；
d)通过光纤光栅解调仪计算读取所述等强度悬臂梁产生的应变造成的所述布拉格光纤光栅传感器的反射光发生的峰值平移；
e)计算出悬臂梁应变与布拉格光纤光栅传感器的反射光发生峰值平移之间的关系，从而计算出布拉格光纤光栅传感器的应变程度，实现所述布拉格光纤光栅传感器的标定与疲劳检测。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述布拉格光纤光栅传感器其波长范围为1525-1565nm。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述布拉格光纤光栅传感器的波长解调分辨率为1pm。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述宽带光源的波长处于C波段或者C+L波段。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于所述应变片是由敏感栅构成。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于所述应变采集测得所述应变片电阻变化大小，并转换为测点的应变值。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述关系曲线通过线性拟合或最小二乘拟合得到。
8.根据权利要求1所述的方法，其中当进行疲劳寿命检测时，通过直线促动器对所述等强度悬臂梁实施循环加载，观察光纤光栅解调仪中反射光谱中心波长的偏移情况，判断其疲劳极限。
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